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螺旋隔板換熱器研究進展點擊：2091 日期：[ 2014-04-26 21:36:04 ] |
| 螺旋隔板換熱器研究進展 金 弋 (廣州汽車集團乘用車有限公司,廣東廣州 510700) 摘 要:從強化傳熱與減少流動阻力兩方面介紹了當前幾種典型管殼式換熱器及其特點,特別對螺旋隔板換熱器的研究進展進行總結分析,指出了該類型高效管殼式換熱器發展的主要方向。 關鍵詞:螺旋隔板;管殼式換熱器;強化傳熱;流動阻力 中圖分類號:FQ051. 5 文獻標識碼:A 文章編號:1004-8901(2009)02-0043-03 換熱器廣泛應用于化工、鋼鐵、發電、制冷、航空航天、汽車、食品等行業。換熱器種類繁多,傳統的殼管式換熱器在各領域中仍占據重要地位,尤其在高溫或有腐蝕性介質的工況中更能體現其結構堅固、適應性強、選材廣、易于制造、成本低、處理量大等優勢,但傳統的殼管式換熱器單位體積的傳熱面積較低,傳熱系數不高,難以滿足生產要求。因而,換熱器強化傳熱技術的研究越來越得到業內人士的重視,并研究開發出螺旋板換熱器,筆者就其研究進展簡述如下。 1·幾種典型管殼式換熱器 1.1 弓形隔板換熱器 傳統的殼管式換熱器大多采用弓形隔板支撐,流體的流態見圖1。 這種形式換熱器存在以下缺點[1-5]:①流體在殼程呈“Z”形流動,造成在隔板和管壁相連處存在流動死區,導致傳熱系數下降;②流體在弓形隔板間分離所引起動量的急劇變化,造成壓力的嚴重損失;③在隔板與殼體或(和)管之間旁路流和泄漏流現象嚴重,降低了流體的有效質量流速。為了克服以上缺點和改善流體在殼程的傳熱性能,逐漸發展出了一些新的管間支撐結構,主要有以下幾種。 1.2 折流桿換熱器 折流桿換熱器是美國菲利浦公司20世紀70年代研制出的一種以折流桿代替隔板的換熱器,其可減小天然氣流體的誘導振動,折流桿示意見圖2。支撐桿桿端均焊接在折流圓環上,折流桿組由4種不同布置方式的折流桿構成,并由支撐桿建立無阻礙的流道,形成了以縱向為主的流動區,因而具有良好的熱力—水力性能。因其殼程具有與管程流動基本相同的對流傳熱機理,加上支撐桿形成的渦流流動和折流環區的文丘里效應,故折流桿換熱器的熱力性能優異。因殼程不存在橫向流動的阻力,也無來回流動的反向效應,故其殼程壓降較低,可應用于單相、沸騰和冷凝各種工況[6, 7]。 1.3 螺旋扁管換熱器 螺旋扁管換熱器也是一種縱向流換熱器,其管程由圓管軋制或橢圓管扭曲成具有一定導程的螺旋扁管,其殼程內由相鄰管長軸處的點接觸來支撐管子,省掉了隔板。殼程流體受離心力作用而周期性改變流速和流動方向,加強了流體的軸向混合。同時,流體經過相鄰管子的螺旋線接觸點后形成脫離管壁的尾流,增加了流體自身的湍流度,破壞了流體在管壁上的傳熱邊界層,從而強化了傳熱。螺旋扁管換熱器的流動特點見圖3。螺旋扁管換熱器也可應用于單相、沸騰和冷凝各種工況[8-10]。 1.4 螺旋隔板換熱器 螺旋隔板換熱器是20世紀90年代發展起來的新型換熱器結構,并由ABB公司于1994年實現了產業化。連續螺旋隔板見圖4,螺旋隔板換熱器流態見圖5。其基于這樣一種思想:通過改變殼側隔板的結構和布置,使殼側流體呈連續螺旋流動。通常采用一系列的扇形平面板(稱之為螺旋隔板),在殼側形成近似的螺旋面,使換熱器中的殼側流體產生連續的螺旋狀流動,以達到有效地降低殼側流動阻力及強化傳熱的目的[11]。 2 螺旋隔板換熱器研究進展 曾文良[12]以現場的壓縮空氣為介質,分別對螺旋隔板花瓣管與低肋管換熱器的傳熱和流阻性能進行了實驗研究,結果表明,花瓣管比低肋管具有更優越的傳熱性能。在同等的傳熱量下,螺旋隔板花瓣管換熱器的氣側傳熱系數比螺旋隔板低肋管換熱器高出20% ~50%,其壓力損失比低肋管低30% ~40%。 張正國[13]比較了螺旋隔板花瓣管油冷卻器和螺旋隔板低肋管油冷卻器的傳熱和壓降性能。實驗結果表明,螺旋隔板花瓣管油冷卻器與螺旋隔板低肋管油冷卻器相比,總傳熱系數提高10%以上,而壓降卻降低了46%左右。張[14]將螺旋隔板花瓣管水冷殼管式油冷卻器與弓形隔板光滑管水冷殼管式油冷卻器進行了性能比較。結果表明,螺旋隔板花瓣管油冷卻器的總傳熱系數是弓形隔板光滑管油冷卻器的4~5倍,具有非常好的傳熱性能。張[15]還研究了R407C在螺旋隔板花瓣管冷凝器中的傳熱特性。在實驗條件下,該冷凝器的總傳熱系數可超過3 000W /m2·K,證明了螺旋隔板花瓣管冷凝器能顯著地強化R407C的冷凝傳熱。張[16-18]也對螺旋隔板花瓣管單管換熱器的不同花瓣管幾何參數進行實驗和數值計算,實驗結果證明,花瓣管的翅高與間隙對換熱系數有一定影響。 趙曉曦[19]以柴油為介質,實驗研究了螺旋隔板菱形翅片管換熱器的傳熱性能,實驗結果表明,在雷諾數為3 280~12 680的范圍內,螺旋隔板菱形翅片管換熱器的殼側傳熱膜系數要比螺旋隔板光滑管換熱器提高了54% ~108%。隨著雷諾數的增加,提高的幅度更大,具有較好的強化傳熱效果。殼側流體流動的阻力系數在實驗范圍內比螺旋隔板光滑管換熱器降低了30% ~50%,具有優良的傳熱與流阻性能。 陳世醒[20]在高黏度流體下對螺旋隔板換熱器和普通的弓型隔板換熱器進行了對比實驗研究,并對實驗數據進行了關聯,得到了螺旋隔板換熱器殼程對流傳熱系數的近似計算模型。實驗結果表明,對高黏度油品,相同流量下單位壓降的殼程對流傳熱系數,螺旋隔板約為弓型隔板的1. 5倍,顯示螺旋隔板換熱器不僅適用于低黏度流體,也可用于高黏度流體。張克錚[21]等以水為傳熱介質,比較了螺旋隔板換熱器與普通的弓型隔板換熱器傳熱性能,并對實驗數據進行了關聯,得到了螺旋隔板換熱器殼程對流傳熱系數的近似模型。實驗結果表明,對水這樣的低黏度流體,相同流量下單位壓降的殼程對流傳熱系數,螺旋隔板約為普通隔板的2. 4倍。 王素華[22]用激光測速儀詳細測量了螺旋隔板換熱器的流場特性,著重研究了旋流角對速度分布和脈動速度的影響及其與流量的耦合關系,并詳細分析和討論了速度分布對換熱性能及阻力的影響。該實驗中的模型換熱器采用有機玻璃制作,殼體尺寸為200 mm×6 mm×3 000 mm(外徑×壁厚×長度),換熱管外徑為15 mm,共52根,均勻布置。螺旋角取30°, 35°, 40°, 42°4種。實驗介質為常溫下自來水,流量范圍為3~20 m3/h。結果表明:隨著螺旋角的減小,切向速度分量增大,脈動速度也相應增大,有利于換熱;流量增加使速度沿徑向分布趨于均勻,但螺旋角減小,流動損失也隨之增加,尤其在螺旋角小于35°以后,流動損失增加幅度加快。綜合考慮,建議使用螺旋角為35°。 楊軍[3]對螺旋角為12°、18°、30°、40°的螺旋隔板換熱器進行了傳熱和壓降性能測試。應用英國傳熱協會的Tasc3軟件對弓形隔板換熱器的運行情況進行了模擬,得到了相應結構下的總傳熱系數和壓降值。在相同流量下,比較了不同螺旋角的螺旋隔板換熱器與弓形隔板換熱器在單位壓力降下的總傳熱系數,同時對12°、18°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板換熱器的殼程膜傳熱系數及壓降進行了對比研究。結果表明,實驗用12°、18°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板換熱器的總傳熱系數比弓形隔板換熱器高59. 48%以上。研究表明,實驗條件下, 18°螺旋角的螺旋隔板換熱器的綜合傳熱性能優于12°、30°、40°螺旋角的螺旋隔板換熱器。 吳國輝[23]對斷續螺旋隔板與普通弓形隔板殼管式換熱器的傳熱與流阻特性進行了實驗對比研究。結果表明:將斷續螺旋隔板應用于殼管式換熱器能明顯增強換熱效果,在相同流速下殼側換熱系數是弓形隔板換熱器的1. 39~1. 67倍,斷續螺旋隔板換熱器的總傳熱系數是弓形隔板換熱器的1. 15~1. 37倍,但阻力有所增加,殼側阻力是單弓形隔板換熱器的3. 25~3. 67倍。 3·結語 (1)隨著強化傳熱理論的研究,高效傳熱管與殼程的強化傳熱以及流動阻力的減少是今后換熱器研究和開發的一個重要方向。 (2)在強化傳熱的同時,必須考慮強化傳熱會帶來流動阻力的增加,因此,應綜合考慮強化傳熱與流動阻力,開發出高質量、低成本、高效率、低流阻的換熱器,為節能減排提供先進的換熱設備。 參考文獻: [1]曾舟華,錢頌文,岑漢釗,等,管殼式換熱器殼程弓形折流板傳熱死區流體介質滯留現象研究[J].制冷, 1995, 52(3): 10-14. 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